开发者的 Ethereum 扩容方案指南

以太坊对去中心化和安全性的强调意味着交易处理速度较慢。这影响了网络吞吐量，也制约了去中心化应用的扩展能力。

为解决以太坊的可扩展性问题，业界提出了许多设计方案，各自提供不同的优势。本指南将介绍以太坊扩容方案，解释它们的工作原理及其重要性。

什么是可扩展性？

可扩展性指系统在使用量成倍增长的情况下仍能保持功能正常的能力。 在区块链技术的语境中，可扩展性指区块链在交易量增加时不影响其功能的能力。

目前，以太坊的交易处理能力限制在每秒 7-15 笔交易(TPS)。相比之下，传统的中心化数据库——如 Oracle Database 和 Microsoft SQL Server——每秒可处理数千笔交易。

来源：Blockchair

以太坊设计影响可扩展性的两个方面

以太坊的吞吐量低、处理速度慢，是因为它将去中心化和安全性置于可扩展性之前(可扩展性三难困境)。

以下是以太坊设计影响可扩展性的几个方面：

1. 以太坊的共识算法按顺序处理交易

以太坊使用工作量证明(PoW)，这意味着网络上的交易必须经过所有节点的接受和验证。这有利于去中心化，更重要的是有利于安全性。

其缺点是交易的顺序执行会影响交易终局性(确认一笔交易所需的时间)。这进一步导致以太坊无法支持较高的 TPS。

2. 以太坊将区块大小限制为 1MB

以太坊限制了一个被挖出的区块能容纳的数据量(1MB)，因为限制区块大小能让节点更有效地存储区块链历史，从而提升去中心化程度。区块越大，人们运行全节点就越困难，这会损害去中心化。

然而，1MB 的区块大小限制减少了矿工能装入单个区块的交易数据量，从而影响了网络吞吐量。较小的区块大小也会影响 gas 成本，即在以太坊虚拟机中执行操作所需的计算资源。

由于矿工的计算能力有限，他们往往不得不优先处理手续费更高的交易。这在以太坊用户之间引发了一种竞价战，导致交易费用飙升。

什么是以太坊扩容方案？

以太坊扩容方案是专为改善以太坊网络交易执行而设计的平台。 诸如二层 Rollups 和侧链之类的以太坊扩容方案，是使用不同机制来提高网络吞吐量的协议。

来源：Reddit

一层与二层扩容方案对比

扩容方案大体可分为两类："链上"和"链下"方案，区别在于执行发生的位置。

一层扩容方案

一层扩容涉及对区块链网络本身进行改动，重写基础层。"链上"意味着对以太坊的扩容升级是在区块链本身上执行的。

一层可通过增大区块大小实现扩容

一种可能的一层扩容改进是增大区块大小。如果以太坊的 1MB 区块大小限制被提高，矿工就能在区块中容纳更多的交易数据。

虽然增大以太坊的区块大小会提高 TPS，但副作用是逐渐走向中心化——因为区块越大，区块链的体积也会随之增长，使得运行全节点变得困难(除非你有超级计算机)。因此，以太坊社区已经排除了通过增大区块大小来实现扩容的方案。

一层可通过区块链分片实现交易并行处理来扩容

区块链分片是一种可扩展性改进，它引入了交易的并行执行，取代以太坊默认采用的顺序执行模型。在分片中，区块链被划分为若干更小的链(分片)，分别验证和处理各自的交易。

先看看以太坊目前的运作方式：

交易会在全网广播，直到得到验证。分片不要求交易由所有节点批准，而是由每个分片各自的验证者(称为 collator)来批准交易。

每个集合区块(collation)(分片链上的一组交易)必须由 ⅔ 的 collator 签署。此外，提议的集合区块必须被添加到主链才能达成终局性。这些措施共同保障了系统的安全性。

通过分片，以太坊可以在不牺牲去中心化或安全性的前提下提高 TPS。由于各分片链能并发处理不同的交易，网络的整体处理能力得以提升。此外，网络参与者仍可通过密码学证明来验证分片集合区块的有效性。

来源：Genesis Block

二层扩容方案

之所以称为二层(L2)扩容改进，是因为它们在主链(一层)之外执行。也被称为"链下"方案，二层扩容涉及在依赖主链提供安全性的独立网络上处理交易。

L2 方案的设计通常更强调交易速度和可扩展性——去中心化和安全性在这里不是主要考量。由于它们会将交易数据发布到以太坊主层，L2 可以受益于主网的去中心化和安全性。此外，由于 L2 方案构建在以太坊之上，它们不需要自己的原生代币。

这些链下协议可以将多笔交易聚合为一笔交易，再添加到主链。这减轻了网络的压力，随着使用量增长，也提升了应用的扩展潜力。

二层扩容方案的例子包括：

• Rollups
• 状态通道(State channels)
• Plasma
• Validium

二层与侧链对比

侧链是与以太坊主网交互、但不依赖其提供安全性的独立区块链。侧链通过跨链桥与以太坊连接，实现两条链之间的资产转移。

侧链之所以有利于可扩展性，是因为它们采用了不同特性的设计来实现高吞吐量。例如，Polygon 侧链采用权益证明(PoS)共识算法以实现更快的交易速度。

二层方案与侧链的主要区别在于它们的安全性保证。虽然 L2 网络享有以太坊的安全保障，但侧链没有。

侧链由自身的共识机制来保障安全，而 L2 则受益于以太坊的共识。这就是为什么许多人认为 L2 比侧链更安全。

为什么扩容方案对以太坊是必要的？

好的以太坊扩容方案有助于为 web3 开发者和用户提供更低的 gas 费用和更快的交易速度，同时保持交易安全。

以下是扩容方案对以太坊必要的原因：

1. 更低的交易费用

以太坊的 gas 费用问题已成为广泛批评的对象。扩容改进可以减少网络拥堵，大幅降低交易成本。

更低的 gas 价格意味着更好的用户体验和更高的应用采用率。用户不必再面对交易失败或支付高昂的 gas 费用。

2. 更快的交易

许多扩容方案的创建目的正是为了提升以太坊在更短时间内处理更多交易的能力。

例如，rollup 可以将数千笔链下交易打包成一笔链上交易。类似地，分片通过鼓励交易并行处理来提高吞吐量。

这些改进的最终结果是每秒交易数(TPS)的提升。尽管估计各不相同，但许多人预计 L2 和分片会将以太坊的 TPS 推高至数千。

3. 更好的安全性

L2 在不降低网络安全性的前提下，为以太坊扩容提供了极佳方案。与链上扩容不同，链下扩容项目不会影响以太坊的去中心化程度。

尽管这些 L2 是独立的链，但它们的安全性与以太坊区块链紧密相连。这意味着用户可以安全地与这些项目交互，享受可扩展性带来的好处，而不必冒资产风险。

五种最流行的以太坊扩容方案

五种最流行的以太坊扩容方案是：rollup、侧链、状态通道、plasma 链和 Validium。

1. Rollups

Rollup 将链下执行的多笔交易组合或"卷起"成一批，再传递到主链。单个 rollup 可包含数百甚至数千笔压缩后的交易，以减少主链需要处理的交易量。

除了提升可扩展性，rollup 还提供了与以太坊本身相近水平的安全性，因为 rollup 中的交易是锚定在 L1 链上的，从而保证了交易终局性。

Rollup 主要分为两类：乐观 rollup 和零知识 rollup。两者的区别在于交易的计算方式和向以太坊提交的方式：

零知识 rollup，即 ZK-rollup，在链下执行计算，并生成一种称为简洁非交互式知识论证(SNARK)或简洁透明知识论证(STARK)的密码学证明。这些**"有效性证明"**向主链上的节点保证了交易批次的有效性。

乐观 rollup默认假定交易有效，不会为每个交易批次生成有效性证明。不过，乐观 rollup 中交易的有效性可以通过欺诈证明来质疑。

那么这两种 rollup 方案相比如何？ZK-rollup 由于生成有效性证明而更安全，但这也使其比乐观 rollup 更慢。

ZK-rollup 机制复杂，这使得为其编程实现 EVM 兼容性变得困难。因此，与乐观 rollup 相比，ZK-rollup 的功能较为有限。

Polygon 正在开发零知识 EVM(zkEVM)，通过其 Hermez 2.0 计划，为以太坊网络上的零知识 rollup 提升功能性。

使用乐观 rollup 的以太坊 L2

• Optimism
• Arbitrum
• Boba Network
• Immutable X

使用 ZK rollup 的以太坊 L2

• zkSYNC
• Loopring
• dYdX
• StarkNet

作为开发者，你可以将 rollup 集成到你的 dApp 中，以提升交易终局性和可扩展性。这样，你的用户就不必经历以太坊上常见的高 gas 费用、交易失败和处理速度缓慢等问题。

2. 侧链

侧链是一种二层解决方案，是与以太坊主网并行运行的独立区块链。这些差异可能体现在加密经济激励、共识机制等方面。

专为以太坊设计的侧链具备以太坊虚拟机(EVM)兼容性，可以支持智能合约。这意味着你可以在侧链上部署项目，为应用利用其可扩展性方面的改进。

将侧链连接到以太坊智能合约平台需要用到跨链桥。顾名思义，区块链桥为用户在主链和侧链之间移动提供了通道。

要使用桥，你需要在源链上锁定一定数量的资产(此处为 ETH)。之后，等量的资产会在侧链上生成并存入你的钱包。

之后你就可以在侧链上自由交易，利用其更优越的交易处理能力。如前所述，侧链经过专门设计以提供可扩展性，并采用不同机制来实现这一目标。

以太坊侧链示例：

• Polygon
• xDAI
• SKALE

其他替代一层(L1)区块链也可以作为以太坊侧链，尤其是那些兼容 EVM 的区块链。这些替代 L1 通常在某些情况下能提供更低的 gas 费用、更好的交易终局性以及更丰富的功能。

兼容 EVM 的 L1 示例：

• Avalanche
• Fantom
• Binance Smart Chain

3. 状态通道

状态通道是一种链下扩容方案，允许两方在无需主链验证每一笔交易的情况下进行交易。状态通道本质上是一份多重签名智能合约，只有在所需各方批准后才会执行。

状态通道的工作原理

1. Alice 想与每天早上为她卖咖啡的 Bob 开设一个状态通道。假设她在通道中存入 0.4 ETH，这笔开通交易会发布到主网上。

2. 在这笔开通交易之后，Alice 和 Bob 可以在链下随意进行任意次数的交易。唯一的限制是双方都必须签署交易，也就是说 Alice 和 Bob 必须批准每一笔咖啡付款。

3. 如果 Alice 用完了她的存款，她可以在主链上发布一笔退出交易。这笔交易会反映通道的最新已知状态，随后被记录以达成终局性。Alice 和 Bob 可能已经交易了十几次，但以太坊网络只记录了两笔交易——进入交易和退出交易。

状态通道让各方能够进行安全的链下交易，而无需经历漫长的等待时间和高昂的交易费用。它还能提升可扩展性，因为矿工需要处理的交易更少，处理速度也能更快。

使用状态通道的以太坊扩容方案：

• Raiden Network
• Connext Network
• Celer Network

4. Plasma 链

Plasma 白皮书提出了"子链"的概念，这些子链源自主区块链，即"根链"。虽然Plasma 链可以验证交易，但它们依赖根链的安全性。为了证明交易的有效性，子链会向根链提交密码学证明。

Plasma 链与侧链类似，都通过智能合约与以太坊区块链连接。使用 Plasma 链需要先在根链上的一份智能合约中锁定 ETH，然后才能在子链上获得代币。

Plasma 被视为一种 L2 扩容方案，因为它直接从以太坊基础层获得安全性。这使得它们比侧链之类的方案更安全。

Plasma 会为以太坊主链上的每个区块发布Merkle 根。区块根是一小段信息，我们可以用它来验证交易相关的信息。如果 Plasma 链遭受攻击，用户可以安全地退出到主链，使用相应的证明提取资金。

使用 plasma 的以太坊扩容方案

• OMG Plasma
• Gluon Network

5. Validium

Validium 与 ZK-rollup 类似，都在以太坊主层之外执行计算，但主要区别在于 Validium 使用"链下数据可用性"，而不是像 ZK-rollup 那样将压缩数据发布到主链上。

Validium 将数据存储在链下的数据提供方那里，这使得它们在某种程度上带有托管性质。不过，一些方案(如 StarkWare)使用数据可用性委员会(DACs)来确保数据提供方诚实行事。

Validium 的费用非常低，交易速度很快(最高可达 100,000 tps)。不过，与 ZK-rollup 等其他扩容方案相比，它们需要更多的信任假设。

使用 validium 的 ETH 扩容方案：

• DiversiFi
• Immutable X

扩容方案有哪些缺点？

以太坊扩容方案的两个缺点是实现复杂，以及可能安全性保证较低。

1. 复杂性

许多扩容方案实现起来很复杂，这可能影响其功能性。例如，以太坊开发团队由于分片升级所需的工作量巨大，已多次推迟其发布日期。

2. 较低的安全性保证

尽管许多 L2 和 L1 扩容方案依赖以太坊来保障安全，但它们无法达到与以太坊同等的安全水平。每种扩容方案都会为速度而牺牲一些要素(如去中心化和安全性)。用户在使用这些平台前必须充分了解这些风险。

结语

本指南中介绍的扩容项目很可能会在以太坊追求可扩展性的进程中发挥重要作用。不过，这些方案是否足以保证长期的可扩展性，仍有待观察。

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